Operação Unitária de Centrifugação

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1 UFPR Setor de Ciências da Saúde Curso de Farmácia Disciplina de Física Industrial Operação Unitária de Centrifugação Prof. Dr. Marco André Cardoso

2 Centrifugação Operação unitária com a principal finalidade de separação de frações ou a concentração das moléculas de interesse Pode ser realizada com o objetivo de separar sólidos de líquidos ou mesmo uma mistura de líquidos É um processo mecânico que tem por função a separação ou clarificação de mistura, onde seus componentes possuam densidades diferentes

3 Centrifugação Na sedimentação as partículas são separadas de um fluído por ação de forças gravitacionais; A separação gravitacional pode ser muito lenta devido à proximidade entre as densidades das partículas e do fluido, ou por causa de forças associativas que mantém componentes ligados, como em emulsões; O uso de centrífugas aumenta muitas vezes a força que atua sobre o centro de gravidade das partículas, facilitando e a separação e diminuindo o tempo de residência

4 Centrifugação

5 Força Centrífuga Qualquer corpo ou partícula que apresente um movimento circular uniforme está submetido a uma força centrífuga, que tem como referência, o centro da trajetória circular que a partícula descreve; Consiste numa força aparente que se manifesta nos corpos em rotação e cujo efeito é o afastamento dos corpos do centro de rotação; Ocorre devido a uma rotação que faz variar continuamente a direção do movimento do corpo, dando origem a uma aceleração que pode ser interpretada como uma força de inércia que o empurra para fora;

6 Força Centrífuga

7 Força Centrífuga Equações A aceleração pela força centrífuga é dada por: a r 2 e a e é a aceleração devido à força centrífuga (m/s 2 ) r é a distância radial do centro da rotação em metros ω é a velocidade angular em radianos/s A força centrífuga Fc: F c ma e mr 2

8 Força Centrífuga Equações A força gravitacional em uma partícula é: F g mg Se comparamos ambas: F F c g r g 2 2 v rg r g 2 N rn 2 Onde: N é a velocidades rotacionais dada em RPM ou seja por rotações/min r é a distância radial do centro da rotação em metros

9 Centrifugação Rotores Eixo de Rotação At rest Rotação g g Ângulo Fixo

10 Centrifugação Geometria dos Rotores r max r av r min Eixo de Rotação a r min r av r max r min r av r max b c Sedimentação

11 Centrifugação Taxas de Separação Todo o líquido se move para cima à velocidade uniforme, transportando partículas sólidas com ele; As partículas movem-se radialmente na vt de sedimentação; Se o tempo de residência for suficiente para que a partícula chegue até parede do tambor ela é separada;

12 Centrifugação Separação Eixo de Rotação

13 Misturas Líquido/Líquido

14 Misturas Sólido/Líquido

15 Centrífugas Decantadoras ou Clarificadoras Servem para clarificar ou espessar suspensões e emulsões; Um tambor vertical, horizontal ou inclinado gira em alta rotação em torno de um eixo e as partículas são dirigidas para a periferia da centrífuga; Ao mesmo tempo em que é feita a clarificação podese realizar a decantação de dois líquidos; Para haver clarificação as partículas deverão ter tempo suficiente para atingir a parede ou os bocais de saída da centrífuga;

16 Centrífugas de Tambor ou Tubular Consiste em um tubo sólido fechado em ambas as extremidades, e que normalmente é alimentado com dois líquidos de densidades diferentes, por uma entrada no fundo; A fase mais pesada se concentra contra a parede do cilindro, enquanto a fase mais leve flutua sobre ela. As duas fases são separadas por meio de um defletor que as descarrega em dois fluxos distintos; Se a alimentação do processo for do tipo líquido/sólido ou líquido/líquido/sólido, faz-se necessário uma limpeza regular mas, se não há a presença de sólidos suspensos, o processo pode ser contínuo;

17 Centrífugas de Tambor ou Tubular

18 Centrífugas de Tambor ou Tubular

19 Centrífugas de Discos Opera a velocidades de 3000 a g e proporciona um sistema de clarificação contínuo que é satisfatório para materiais com um conteúdo de sólidos de 1-2% ou menos; É projetada para separação sólido/líquido ou duas fases líquidas em base contínua. Os sólidos sedimentam na parede do vaso e são descarregados manualmente ou automaticamente por aberturas intermitentes do vaso; A pilha de discos aumenta grandemente a área efetiva de sedimentação ou clarificação, e as fases líquida e sólida movem-se para cima ou para baixo na superfície dos discos. O líquido descarrega através de um ou mais discos;

20 Centrífugas de Discos

21 Centrífugas de Discos

22 Centrífugas de Discos

23 Centrífugas de Discos

24 Centrífugas de Vaso Horizontal Consistem em dois elementos giratórios concêntricos horizontais contidos em uma carcaça estacionária; O cesto (elemento giratório exterior) afila-se de forma que os sólidos descarreguem em um raio menor que o do licor; O elemento interno é um transportador de parafuso tipo rosca-sem-fim com a extremidade da lâmina ajustada próximo ao contorno da cesta; A suspensão é alimentada no interior do eixo transportador por bombeamento ou por gravidade, sendo automaticamente acelerada até a velocidade da máquina;

25 Centrífugas de Vaso Horizontal A força centrífuga impele a suspensão através de canais para o interior da cesta giratória, onde os sólidos decantam através da camada de licor formada sobre a parede; Há uma pequena diferença de velocidade entre a rotação da cesta e a do transportador, permitindo que os sólidos sejam transportados continuamente ao longo da parede de cesta, para fora da piscina e em direção à zona secante cônica, até as portas de descarga dos sólidos; O licor clarificado descarrega continuamente na direção oposta, através de portas de transbordamento ajustáveis;

26 Centrífugas de Vaso Horizontal

27 Centrífugas de Vaso Horizontal

28 Centrífugas de Vaso Horizontal

29 Centrífugas Filtrante Constam de uma cesta que gira em alta velocidade em torno de um eixo vertical ou horizontal e cuja parede é feita de tela ou placa perfurada; Os sólidos vão para a periferia e formam uma torta cuja espessura vai aumentando à medida que a operação prossegue; O líquido filtrado passa através da torta e da tela, sendo recolhido num tambor fixo em cujo interior está girando a cesta; Sua maior vantagem é a redução da quantidade de filtrado que fica retido na torta;

30 Centrífugas Filtrante

31 Centrífugas Filtrante

32 Centrífugas Filtrante de Cesta Permite tanto a filtração como a decantação e é particularmente satisfatória para processar materiais no ambiente ultra-limpo das indústrias de química fina e farmacêutica; Podem ter uma cesta perfurada com membrana filtrante para o processo de filtração, ou uma cesta sólida para decantação; Ela também possui um mecanismo automático de faca raspadora (peeler) para descarga do bolo, além de um sistema efetivo de remoção dos resíduos ('heel') - uma característica que permite retenção completa a cada batelada e reduz o ciclo operacional removendo os sólidos separados a velocidade alta;

33 Centrífugas Filtrante de Cesta As altas forças g e o modo acelerado de descarga faz com que a centrífuga peeler use tempos de ciclo menores, que podem ser ajustados para assegurar uma larga faixa de capacidades de lavagem; Este tipo de centrífuga pode ser usado para aplicações onde a suspensão tem baixa concentração de sólidos ou é flutuante; A centrífuga tem uma cobertura frontal que abre completamente o que permite a inspeção segura do interior pelo operador;

34 Centrífugas de Cesta Filtração Decantação

35 Centrífugas de Cesta Vertical Produzem bolos excepcionalmente secos e têm duas vantagens principais: - capacidade para uma lavagem eficiente de bolos sólidos usando um mínimo de líquido de lavagem; - habilidade para descarregar os sólidos separados a baixa velocidade de cesta, assegurando quebra desprezível de cristais delicados; O licor mãe extraído e o licor de lavagem são segregados facilmente em etapas separadas do ciclo descontínuo;

36 Centrífugas de Cesta Vertical Durante a operação, a suspensão é alimentada pela abertura no topo da cesta que, normalmente, opera a uma velocidade reduzida; Dependendo do tipo de suspensão que é tratada e/ou do tipo da máquina, a alimentação ou é introduzido diretamente na cesta por um tubo tangencial ou por um cone distribuidor de 360 ; A taxa de alimentação e/ou a velocidade da cesta é ajustada de forma que a taxa de alimentação iguale a taxa de filtração a medida em que a suspensão cobre a parede da cesta e forma um bolo uniformemente distribuído;

37 Centrífugas de Cesta Vertical

38 Centrífugas de Cesta Vertical

39

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